氢气提纯装置(PSA)改造

2017 年 7 月

化工技术与开发

Technology & Development of Chemical Industry

Vol.46 No.7Jul.2017

氢气提纯装置（PSA）改造

王　璐，文　章

（中国石油广西石化公司，广西 钦州 535008）

摘　要：南方某炼厂氢气提纯装置（PSA），由于原设计中的程控阀选型存在一定问题，使得吸附剂使用效果不理想，造成产品氢气纯度只有在吸附剂使用初期时才能达到设计、生产要求，但在保证了产品氢纯度时，氢气回收率却不尽理想，与原设计存在偏离。经过改造，不仅解决了程控阀的问题，更主要的是在满足产品氢纯度的同时，氢气回收率也较为理想。新增的流程、预处理系统也为装置长周期安全、平稳、高效生产奠定了基础。

关键词：氢气；改造；运行

中图分类号：TQ 116.2 　 　　文献标识码：B 文章编号：1671-9905(2017)07-0065-03

1　装置简介

主体部分、解吸气压缩机部分和公用工程部分组成，以重整氢气和含硫量高的加氢装置冷低分气等混合气为原料，采用国内某公司的10-2-4 PSA 流程变压吸附氢提纯技术，从混合气中提纯分离出纯度大于99.9%的氢气，副产品解吸气可作为燃料气使用或送入制氢装置。

改造后，装置采用国外某公司的10-2-4的流高的加氢装置冷低分气和氢气回收装置产品氢的混合气。产品氢纯度达99.9%以上，产品氢规模为12×104 Nm3·h-1，氢气回收率达到92％，操作弹性为50％~110％。副产品解吸气进入全厂燃料气管网，或者作为制氢装置或氢气回收装置的原料。装置由PSA撬块、预处理部分、解吸气压缩机部分和公用工程部分组成。

TimeTime

理想均压曲线

󰁎󰁍/MPa程变压吸附氢提纯技术，原料气为重整氢、含硫量

󰁎󰁍/MPa南方某炼厂的氢气提纯装置（PSA1），由PSA

实际均压曲线

图1　吸附塔的实际压力变化曲线与理想曲线

2　原有运行问题

2.1　设计缺陷2.1.1　均压速度过快

PSA1装置由10台吸附塔和4台缓冲罐组成，采用10-2-4 PSA工艺流程，即装置的10个吸附塔中有2个吸附塔始终处于同时进料吸附的状态。其吸附和再生工艺过程由吸附、连续4次均压降压、顺放、冲洗、连续4次均压升压和产品最终升压等步骤组成。

收稿日期：2017-04-25

图1是吸附塔的实际压力变化曲线与理想曲线对比。从图1可以看出，实际的吸附曲线成阶梯状，均压过程过快。而导致这一现象的原因是均压管线的管径设计失误，均压过程中气体流速过大。管线流速过大直接带来设备的运行问题。均压速度过快，引起床层顶部的吸附剂沸腾而粉化，较高的气流携带着吸附剂粉尘对程控阀长期冲刷，吸附塔的每次均压都会对吸附剂床层造成巨大冲击，并且PSA1装置运行时一直存在噪音较高的问题。为解决均压

66化工技术与开发 第 46 卷

问题，在均压速度过快的管线中加装限流孔板，之后3次调整孔板的尺寸和位置，均无明显效果。2.1.2　程控阀选型错误

程控阀选型为液压制动两位式蝶阀，运行过程中有三大问题：1）两位式开关动作，瞬间全开或全关，进一步加重了均压的速度，每次均压对吸附剂床层造成的冲击不亚于一次爆破吹扫；2）程控阀内漏严重。程控阀内漏是吸附塔内吸附剂穿透失活的主要原因之一，PSA1装置运行以来，已对内漏的程控阀多次维修或更换；3）执行机构液压缸接头频繁漏油，液压油滴落到地面，污染装置的雨排系统。2.1.3　氢气回收率低

PSA1装置设计氢气回收率的保证值是92%，期望值是93%，产品氢纯度为99.9%。但实际运行期间，氢气回收率长期低于90%，主要表现在产品氢纯度低（末期低于95%），解吸气氢气含量高（设计43%，末期实际高于70%）。针对氢气回收率低的问题，装置进行了3次换剂，其中两次为撇头换剂，一次为全部换剂，每次换剂后初期运行效果改善，随后吸附剂吸附效果逐渐变差，回收率低的问题始终无法彻底解决。

2.1.4　PSA1装置管道未设计保冷设施

重整氢气经过丙烷冷冻后，到PSA1装置温度只有7℃左右，而钦州地区由于空气相对湿度较高，空气中的水分会在管道壁上冷凝，PSA1管道未设保冷设施，管道常年滴水，不但增加了现场管理的难度，同时增加了设备锈蚀，不利于装置长周期运行。2.2　混合低分气品质差2.2.1　低分气纯度低

PSA1来料分为三部分，分别为重整氢气、加氢裂化脱硫低分气和渣油加氢脱硫低分气。由化验分析数据可知，重整氢气的纯度与设计值相近，约为91%~92%，而加氢低分气和渣油加氢低分气的氢气纯度均长期为80%，远低于二期工况设计的%、86%，这导致两股原料气混合后的氢气纯度偏低，在同等操作条件下（主要为吸附时间的设定），则产品氢纯度与设计值相比偏低。2.2.2　低分气夹带铵盐

由于PSA1系统压降增大，PSA1进行紧急停工检修，打开原料气分液罐顶部出口时发现，出口过滤器发生堵塞，对堵塞物进行收集后送检，化验分析发现结晶物含硫化铵。进一步分析后发现，加氢裂化

低分气中铵离子含量约200×10-6，遇微量硫后会生成铵盐，堵塞在出口过滤器处。2.2.3　低分气带液严重

两路加氢低分气一直以来带液严重，PSA1原料气分液罐每天定时切液，排出大量污水。2.2.4　低分气硫化氢腐蚀严重

正常情况下，两路低分气经胺洗后可以去除大部分硫化氢，满足PSA1对进料中硫含量的要求（设计6×10-6）。但由于生产波动等原因，低分气中的硫含量有超标的情况。更为严重的是没有脱硫的低分气直接进入PSA1装置，大量硫化氢进入吸附剂床层，降低吸附剂的吸附效果，并对原料分液罐顶部钢结构格栅板、丝网、吸附塔底部丝网造成严重腐蚀。

3　改造内容

由于装置存在诸多生产运行问题，不但氢气纯度、氢气回收率难以保证生产要求，而且还造成了吸附塔“跑剂”，导致解吸气压缩机转子损坏等问题。经多方分析研究，最终于2016年10月开始，对原有PSA装置进行全面改造。3.1　更换工艺包

原设计采用国内某公司的10-2-4 PSA 流程变压吸附氢提纯技术，改造后，采用国外某公司的10-2-4 PSA 流程变压吸附氢提纯技术。新工艺保留原有10台吸附塔和原料气缓冲罐，去除了顺放气罐，将原有2台串联尾气缓冲罐改为并联。3.2　更换吸附剂

原设计装填为5种吸附剂、一种瓷球，改造后装填为3种吸附剂、3种瓷球，均为专利产品。3.3　更换吸附区所有管阀架及控制阀

原设计中的80台程控阀由液压油系统驱动，执行机构液压缸接头频繁漏油，且程控阀每开关一次相当于一次小型爆破。改造后将其更换为软密封形式的气动控制阀共62台，由后台程序自动控制每步序的阀门开度，有效减小了全开全关对吸附剂的冲击，同时也避免了泄漏的液压油污染装置的雨水系统。3.4　增加解吸气至膜回收装置流程

由于解吸气中氢气含量偏高，为了更好地将其进行回收利用，吸附后的解吸气改至膜回收装置，通过膜分离，回收的氢气回到PSA装置入口，再经提

第 7 期 王　璐等：氢气提纯装置（PSA）改造

90%，较稳定。

9590氢回收率/%8580757012月31日1月20日2月9日3月1日3月21日4月10日4月30日5月20日6月9日6月29日7月19日8月8日67

纯后送入氢气管网，增加了产氢量，提升了效益。3.5　增设了预处理部分

加氢混合低分气夹带铵盐，遇微量硫就会生成硫化铵，对设备造成堵塞。针对此现象，在混合低分气进原料气缓冲罐前，增加了水洗塔、水洗泵、稳压罐、除气罐等设备及配套控制系统、管线、仪表、阀门、安全阀等，以便更好地脱去混合低分气中的铵盐。

4　改造后运行效果

4.1　氢气纯度对比

图2是改造前后的产品氢数据对比图。由图2

氢回收率/%2016年1~8月产品氢回收率数据

94929088868482801月5日1月15日1月25日2月4日2月14日2月24日3月6日3月16日3月26日4月5日可以看出，改造换剂前，氢气纯度平均值在96%，远远达不到设计值99.9%。改造后，氢气纯度平均值为99.99%，效果很理想。

100

999796959493929190

氢气纯度/%2017年1~3月产品氢回收率数据

图3　改造前后的产品氢回收率对比图

5　结论

针对此套PSA的改造是比较成功的。首先，解决了原有设计中程控阀的选型问题，不会再有瞬间全开全关对吸附剂造成较大冲击的现象；其次，程控阀由原有的液压制动到现在的气动阀门，解决了现场液压油渗漏污染雨水池的问题；第三，增设的预处理系统能有效避免混合低分气中夹带的铵盐与微量硫反应生成硫化铵，对设备造成堵塞。更主要的还是保证了在较高的产品氢纯度下较高的氢气回收率，使装置能够安全平稳、低能高效地长周期运行。参考文献：

[1] 纪志愿.氢提纯工艺的选择及其工业应用[J].炼油设计，

1998，26(6)：46-50．

[2] 魏玺群，陈健.变压吸附气体分离技术的应用和发展[J].

低温与特气，2002，20(3)：1-5．

[3] 王璐.变压吸附（PSA）氢气提纯装置运行工况研究[J].

化工管理，2014(8)：193．

[4] 焦书建.采用变压吸附技术回收炼油厂装置尾气中的氢

气[J].石油化工，2006，35(4)：350-353．

102100氢气纯度/%969492901月5日1月15日1月25日2月4日2月14日2月24日3月6日3月16日3月26日4月5日4.2　氢气回收率对比

图3为改造前后的产品氢回收率对比图。图3中数据的趋势很明显，改造前氢气回收率在85%左右，远远达不到设计的.5%，改造后回收率在

12月31日1月20日图2　改造前后的产品氢纯度数据对比

2月9日3月1日2016年1~8月产品氢数据

2017年1~3月产品氢数据

3月21日Pressure Swing Adsorption (PSA) Unit Improvment

WANG Lu, WEN Zhang

(Guangxi Petrochemical Company, CNPC, Qinzhou 535008, China)

4月10日4月30日5月20日6月9日6月29日7月19日8月8日